【手続補正書】
【提出日】平成18年6月2日(2006.6.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】        透過膜加熱手段を備えた燃料電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】  陽子または電子を透過できる物質からなる透過膜の一方の側に水素成分を含んだ液体燃料を配置するとともに、他方の側に酸素成分を含んだ酸化剤を配置したことを特徴とする燃料電池において、
前記透過膜の加熱手段が、前記酸化剤の供給側に設けた前記液体燃料を噴射する噴射機構からなることを特徴とする透過膜加熱手段を備えた燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は透過膜加熱手段を備えた燃料電池に関するものであり、例えば、パーソナルコンピュータや携帯端末装置で使用される直接酸化型燃料電池における効率を向上するための構成に特徴のある透過膜加熱手段を備えた燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より燃料電池は大型機器を動かすための動力源として研究が重ねられていたが、近年、単独の発電装置としての効率の良さに注目してパーソナルコンピュータの電源として用いることが急速に研究開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この様なパーソナルコンピュータの電源としての燃料電池としては、可動機構部分がなく、小型化及び軽量化が容易な直接酸化型燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）が採用されている（特許文献２或いは非特許文献１参照）。
【０００４】
このＤＭＦＣにおいては、燃料としてメタノール水溶液等の液体燃料を用いるものであり、メタノールと酸化剤となる空気中のＯ2 とを反応させてＨ2 ＯとＣＯ2 とを生成する反応を利用するものであるので、ここで、図６を参照して従来のＤＭＦＣを説明する。
【０００５】
図６参照  
図６は、従来のＤＭＦＣを用いた燃料電池システムの概念的構成図であり、燃料電池６０は、陽子または電子を透過できる物質、例えば、パーフルオロスルホン酸Ｎａｆｉｏｎ（Ｄｕ  Ｐｏｎｔ社製商品名）等のプロトン導電性固体高分子膜等の高分子電解質膜６２を燃料電極６３と酸化剤電極６４とにより挟持した電解質板６１と、その片側に設けられたメタノール水溶液等の水素成分を含んだ液体燃料６５、反対側には設けられた空気等の酸素成分を含んだ酸化剤６６を配置する構造を持つ。
【０００６】
この燃料電池６０に対しては、燃料タンク７１及び燃料循環器７２等を備えた燃料供給系７０から液体燃料６５が供給されるとともに、燃料電極６３と酸化剤電極６４との間に発生した起電力は、補助出力調整回路８１を介してパーソナルコンピュータ等の電子機器８０の各構成要素を構成する負荷８２に供給される。
【０００７】
また、パーソナルコンピュータ等の電子機器８０にはバッテリ８３が備えられており、電子機器８０の起動時に電力を供給するとともに、燃料電池６０が通常運転されるようになった場合には、余剰の電力をバッテリ８３に充電するように構成されている。
【０００８】
この燃料電池６０において、陽子または電子を透過できる物質からなる電解質板６１は、液体燃料６５内の水素陽子を透過させて酸化剤６６の中の酸素と結合させ、この時、液体燃料６５内に残された電子を電気として取り出すことにより電池として機能するものである。
【０００９】
即ち、パーフルオロスルホン酸Ｎａｆｉｏｎ（Ｄｕ  Ｐｏｎｔ社製商品名）等のプロトン導電性固体高分子膜等の電解質板６１の一方に設けた燃料電極６３において燃料電極６３の触媒作用により、下記の反応式（１）に示すように液体燃料６５中でメタノールと水との化学反応により水素イオンが生成される。
ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→６Ｈ+ ＋ＣＯ2 ＋６ｅ- ・・・（１）
【００１０】
発生した水素イオン（Ｈ+ ）、即ち、プロトンは電解質板６１を通過して電解質板６１の他方に設けた酸化剤電極６４において酸化剤電極６４の触媒作用により、下記の反応式（２）に示すようにプロトンと空気中のＯ2 との化学反応により水が生成される。
６Ｈ+ ＋３／２Ｏ2 ＋６ｅ- →３Ｈ2 Ｏ・・・（２）
【００１１】
上記の反応式（１），（２）を纏めると、
ＣＨ3 ＯＨ＋３／２Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ・・・（３）
となり、メタノールと空気中のＯ2 とが反応してＣＯ2 と水とが生成する過程において、燃料電極６３側に発生した電子（６ｅ- ）が負荷８２となる電子回路を通って酸化剤電極６４側に流れることによって発電が行われるものである。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００３−０８６２０７号公報
【特許文献２】
特開２０００−１０６２０１号公報
【非特許文献１】
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｏｓｈｉｂａ．ｃｏ．ｊｐ／ａｂｏｕｔ／ｐｒｅｓｓ／２００３＿０３／ｐｒ＿ｉ０５０１．ｈｔｍ
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池は、発電開始前は常温であるため、起動時に効率が悪いという問題があり、起動時でも負荷の最大出力をまかなえるようにするためには大型の電解質板を搭載すれば良いが、そうすると、燃料電池の小型化を阻害する要因となる。
【００１４】
即ち、燃料電池に使用する高分子電解質膜は化学変化によりプロトンを透過させるため、低温環境よりも分子活動が活発になる高温環境の方がより効率が高いという特徴がある。
【００１５】
例えば、一般に高分子電解質膜として使われている上述のＮａｆｉｏｎ（Ｄｕ  Ｐｏｎｔ社製商品名）の場合、６０℃程度で常温時の１．５倍程度の能力が得られ、したがって、常温である起動時においては効率が悪くなる。
【００１６】
したがって、本発明は、燃料電池の起動時効率を改善することにより、陽子または電子を透過できる物質を適正量搭載することを可能にし、燃料電池の小型化を実現することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図における符号３，４は、各々燃料電極及び酸化剤電極であり、この両電極間に起電力が発生する。
図１参照  
上記目的を達成するため、本発明は、陽子または電子を透過できる物質からなる透過膜２の一方の側に水素成分を含んだ液体燃料５を配置するとともに、他方の側に酸素成分を含んだ酸化剤６を配置したことを特徴とする燃料電池１において、透過膜２の加熱手段が、酸化剤６の供給側に設けた液体燃料５を噴射する噴射機構８からなることを特徴とする。
【００１８】
このように、透過膜２の加熱手段として、酸化剤６の供給側に液体燃料５を噴射する噴射機構８を設け、酸化剤６側で液体燃料５が燃焼することによって透過膜２の温度を上昇することができ、それによって、透過膜２の効率が向上するので、透過膜２の小型化が可能になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図５を参照して、本発明の第１の実施の形態の燃料電池システムを説明する、まず、図２及び図３を参照して、燃料電池システムの基本構成を説明する。
図２参照  
図２は、ＤＭＦＣをパーソナルコンピュータへ搭載した場合の概念的構成図であり、通常の構成のパーソナルコンピュータ１０の主電源として燃料電池３０と燃料電池制御部２１を設けたものであり、燃料電池３０からの電力は補助出力調整回路２２及び電源供給部２３を介してパーソナルコンピュータ１０の各構成要素に供給される。
【００２０】
この場合、燃料電池３０の負荷となるパーソナルコンピュータ１０の各構成要素の内、負荷１３を構成するＣＰＵ１５及びグラフィクス制御部（ＧＰＵ）１６が主な高発熱部品１４となり、その他では電源部及びＨＤＤが高発熱部品に準ずる。
なお、負荷１３を構成するコントローラ１７及びメモリ１８における発熱量はあまり問題にならない。
【００２１】
また、燃料電池制御部２１においては、電池寿命の判断或いは燃料残量検出（出力低下及び燃料タンクモニタ等）等の電池状態の監視を行う。
また、補助出力調整回路２２は、燃料電池３０からバッテリ２４への充電の制御、即ち、軽負荷時に充電し負荷増大時は充電を停止する等の制御を行うとともに、バッテリ寿命を判断する。
なお、図における符号１１，１２は夫々、表示パネル及びマウス／キーボードである。      【００２２】
図３参照  
図３は、ＤＭＦＣをパーソナルコンピュータへ搭載した場合の燃料電池３０の概略的構成図であり、燃料電極３３と酸化剤電極３４とで挟持された高分子電解質膜３２からなる電解質板３１を、燃料電極３３同士及び酸化剤電極３４同士が間隙を介して対向するようにスタックさせ、燃料電極３３同士の間隙に液体燃料３５を供給するとともに、酸化剤電極３４同士の間隙に酸化剤としての空気３６を供給する。
【００２３】
なお、ここでは、高分子電解質膜３２として、例えば、パーフルオロスルホン酸Ｎａｆｉｏｎ（Ｄｕ  Ｐｏｎｔ社製商品名）を用いる。
また、燃料電池としては、ＣＨ3 ＯＨ：Ｈ2 Ｏ＝１：１〜８：９２程度のメタノール水溶液を用いる。
【００２４】
また、燃料循環器３７には、燃料タンク３８から液体燃料３５が供給されるとともに、ポンプ３９によって熱交換器部４１を設けた供給路４０を介して燃料電池３０に供給され、燃料電池３０の燃料電極３３側において上述の化学反応によって発生したＣＯ2 は排気口４２より排出される。
【００２５】
この場合、供給路４０に設けた熱交換器部４１が、ＣＰＵ１４等の高発熱部品１４と接触するように配置する。
なお、燃料循環器２１においては、液体燃料３５から気化したメタノールガスやＣＯ2 を排気管４３を介して排気する。
【００２６】
また、燃料電池３０にファン４４によって供給されたＯ2 は、酸化剤電極３４側で陽子（Ｈ+ ）と反応してＨ2 Ｏを生成するが、このＨ2 Ｏも反応熱によって気化されて反応熱とともに排気口４２から排気される。
【００２７】
なお、ポンプ３９及びファン４４は, パーソナルコンピュータ１０の負荷が高い状態、即ち、燃料電池３０の発電量が多い状態において、高回転動作を行う。  また、負荷が軽い状態、即ち、バッテリ２４のみで駆動可能な状態で且つ充電完了状態ではポンプ３９を停止して液体燃料３５の供給を停止する。
さらに、高発熱部品１４の発熱量が少ない状態ではファン４４の停止と制御を行うものであり、燃料電池制御部２１はそれぞれの状況に応じてリニアに回転制御を行う。
【００２８】
図４参照  
図４は、本発明の前提となる参考例の燃料電池システムの概念的構成図であり、各構成要素は模式的に図示している。
この参考例の燃料電池システムの基本構成は、上述の従来の燃料電池システムと同様であり、高分子電解質膜３２を燃料電極３３と酸化剤電極３４により挟持した電解質板３１を備えた燃料電池３０、供給路４０を介して接続される燃料供給系４５、燃料電池３０からの起電力を負荷１３に供給する補助出力調整回路２２、及び、パーソナルコンピュータの使用状況に応じて充放電を行うバッテリ２４から構成される。
【００２９】
この本発明の前提となる参考例の燃料電池システムにおいては、供給路４０の一部に形成した熱交換器部４１に接するように高発熱部品１４を配置したものである。
【００３０】
このように、負荷１３内のＣＰＵ１５等の高発熱部品１４の近傍に液体燃料３５を通すことによりに、液体燃料３５は高発熱部品１４の発熱を吸収して昇温し、液体燃料３５と接する高分子電解質膜３２が高効率が得られる温度に上昇するので、燃料電池３０による起動後、すぐに高分子電解質膜３２の温度を上昇させることができる。
一方、高発熱部品１４は逆に液冷による高度な冷却がなされるので、ＣＰＵ１５等の誤動作を抑制することができる。
【００３１】
また、通常、機器の発熱量は消費電力に比例するため、多くの発電が必要になる高負荷時は液体燃料３５及び高分子電解質膜３２なども高温になり高効率になるので、燃料電池３０の効率が改善できるとともに、負荷１３を液冷できることにより熱移送が容易になるなど、装置構成の小型化が可能になる。
【００３２】
また、高分子電解質膜３２が高温になると、液体燃料３５の漏れが少なくなるので、所謂クロスオーバー現象を低減することができ、それによっても、発電効率を高めることができる。
【００３３】
図５参照  
図５は、本発明の第１の実施の形態の燃料電池システムの概念的構成図であり、各構成要素は模式的に図示している。
この本発明の第１の実施の形態の燃料電池システムの基本構成は、上述の従来の燃料電池システムと同様であり、高分子電解質膜３２を燃料電極３３と酸化剤電極３４により挟持した電解質板３１を備えた燃料電池３０、供給路４０を介して接続される燃料供給系４５、燃料電池３０からの起電力を負荷１３に供給する補助出力調整回路２２、及び、パーソナルコンピュータの使用状況に応じて充放電を行うバッテリ２４から構成される。
【００３４】
この本発明の第１の実施の形態の燃料電池システムにおいては、供給路４０の一部に分岐配管５２を設け、噴霧量制御部５３による制御によって、酸化剤供給部側に噴霧ノズル５４から液体燃料３５を噴霧して、酸化剤電極３４近辺にて急激に化学反応を促進させ、急速に発熱させるものである。
【００３５】
この様に、起動時に液体燃料を瞬間的噴霧させて化学反応によって発熱させることにより、高分子電解質膜３２の温度を急激に所定の温度まで上昇させることができ、それによって、燃料電池３０を高効率の状態で運転することができる。
【００３６】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は実施の形態に記載した構成及び条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、液体燃料としてメタノール水溶液を用いているが、メタノール水溶液に限られるものではなく、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、シクロヘキサン等の炭化水素、或いは、水素化ホウ素ナトリウムやテトラヒドロホウ酸ナトリウム（ＮａＢＨ4 ）等のアルカリ溶液を用いても良いものである。
【００３７】
また、上記の実施の形態においては、酸化剤として空気或いは空気中のＯ2 を用いているが、酸化剤は空気に限られるものではなく、Ｈ2 Ｏ2 （過酸化水素水）を用いても良いものであり、過酸化の分解反応により生成されたＯ2 を利用すれば良い。
【００３８】
また、上記の実施の形態においては、燃料電池をスタック構造の燃料電池として説明しているが、スタック構造に限られるものではなく、単板構造の燃料電池を用いても良いものである。
【００３９】
また、上記の第１の実施の形態においては、液体燃料を噴霧しているが、必ずしも厳密な意味で噴霧する必要はなく、液体燃料を酸化剤電極に広い面積で接触するように吐出させても良いものである。
【００４０】
また、上記の第１の実施の形態においては、燃料噴射機構についてのみ説明しているが、この場合も、上記の第１の実施の形態と同様に高発熱部品１４を供給路４０に設けた熱交換器部４１に接触するようにしても良く、また、上流側に冷却機構４９を設けても良いし、或いは、酸化剤供給側に強制送風用のファン４４を設けても良いものである。
【００４１】
また、上記の実施の形態においては、電解質膜をプロトン（Ｈ+ ）を透過することのできる膜として説明しているが、電子を透過することのできる膜で構成しても良いものである。
【００４２】
また、上記の実施の形態においては、燃料電池を搭載する電子機器をパーソナルコンピュータとしているが、パーソナルコンピュータに限られるものではなく、携帯電話等の他の携帯情報処理機器でも良く、さらには、動物型ロボット或いは玩具等の電源として用いても良いものであり、いずれにしても、スタンバイ状態が多い電子機器の電源として好適である。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池の起動時に電解質膜の効率が高くなる温度まで急速に上昇することができるので、燃料電池を大型化することなく充分な電力を供給することができ、ひいては、パーソナルコンピュータ等の装置の全体構成の小型化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】
ＤＭＦＣをパーソナルコンピュータへ搭載した場合の概念的構成図である。
【図３】
ＤＭＦＣをパーソナルコンピュータへ搭載した場合の燃料電池の概略的構成図である。    【図４】
本発明の前提となる参考例の燃料電池システムの概念的構成図である。
【図５】
本発明の第１の実施の形態の燃料電池システムの概念的構成図である。
【図６】
従来のＤＭＦＣを用いた燃料電池システムの概念的構成図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  透過膜
３  燃料電極
４  酸化剤電極
５  液体燃料
６  酸化剤
７  供給路
８  噴射機構
１０  パーソナルコンピュータ
１１  表示パネル
１２  マウス／キーボード
１３  負荷
１４  高発熱部品
１５  ＣＰＵ
１６  グラフィクス制御部
１７  コントローラ
１８  メモリ
２１  燃料電池制御部
２２  補助出力調整回路
２３  電源供給部
２４  バッテリ
３０  燃料電池
３１  電解質板
３２  高分子電解質膜
３３  燃料電極
３４  酸化剤電極
３５  液体燃料
３６  空気
３７  燃料循環器
３８  燃料タンク
３９  ポンプ
４０  供給路
４１  熱交換器部
４２  排気口
４３  排気管
４４  ファン
４５  燃料供給系
５２  分岐配管
５３  噴霧量制御部
５４  噴霧ノズル
６０  燃料電池
６１  電解質板
６２  高分子電解質膜
６３  燃料電極
６４  酸化剤電極
６５  液体燃料
６６  酸化剤
７０  燃料供給系
７１  燃料タンク
７２  燃料循環器
８０  電子機器
８１  補助出力調整回路
８２  負荷
８３  バッテリ
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2004363002.tif 000001
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2004363002.tif 000002
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2004363002.tif 000003
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2004363002.tif 000004
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】削除
【補正の内容】